（光学工程专业论文）多通道分布式温度传感器的研制.pdf

中文摘要 中文摘要 本文介绍了国内外分布式温度传感技术的研究现状，对光纤的拉曼散射和基于 分布式传感器温度解调方法进行了详细分析，在此基础上进行了单通道分布式温度 传感器的实验测试工作，研制了分布式温度传感器样机。样机性能：测量范围是0 - 2 公里，温度精确度为1 摄氏度，空间分辨率为2 米，报警时间为1 0 秒。 为了扩展分布式传感器的测量范围，提出了一种多通道分布式温度传感的方法， 即利用光开关的自动切换实现多路传感信息的获取和检测，由计算机程序控制光开 关的开关切换时间，通过a p d 接收和高速采集卡进行数据采集处理，并在计算机上 通过l a b v i e w 软件进行程序编写，实现了多通道温度的测量和温度分布曲线显示。 通过实验结果证实了该方法的可行性。 多通道分布式温度传感器具有结构简单、操作简便、数据获取时间可调和大幅 度降低传感器成本的优点，扩大了单机的测量范围，具有良好的应用前景。 关键词：光纤传感器，温度，光开关，拉曼散射，反斯托克斯光 中文文摘 中文文摘 光纤传感技术是伴随光纤及光通信技术的发展而逐步形成的，这是上世纪7 0 年代发展起一门崭新的技术。由于半导体激光器和实用化光纤的研制成功，从此光 纤传感技术也得到了迅速发展。光纤传感技术就是表征光波的特征参量因外界因素 的作用而直接或间接的发生改变，从而将光纤作为传感元件来探测各种待测量。这 是一种以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒介的光纤，具有一系列独特的、其它 载体和媒介所无法比拟的优点，具有损耗低、频带宽、体积小、外形可变、电绝缘 性、在恶劣环境下能正常工作等突出优点，从而引起了世界范围内的高度重视。光 纤的发展与应用是相辅相成的，随着光纤制造工艺的不断完善和发展，光纤质量和 性能的不断提高，光纤的应用遍布了通信行业、服务行业、医疗行业、运输行业、 军事行业等各种各样的领域，为今天信息化世界的发展提供了一个有效的媒介。 光纤传感器根据调制的光波参量不同的方法，可分成强度调制光纤传感器、相 位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤 传感器等。光纤传感器按照被测对象不同来分，又可以分为光纤温度传感器、光纤 流量传感器、光纤浓度传感器、光纤压力传感器、光纤电流传感器、光纤位移传感 器、医用光纤传感器等。光纤传感器按传感原理调制可分为两大类，一类是功能性 调制，调制器位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输参量对光波实施 调制。这类光纤传感器称为功能性传感器或者本征性光纤传感器，也称为内调制传 感器。光纤同时具有“传”和“感”两种功能合而为一的特点，信息的获取和传输 都在光纤之中，所以又被称为传感型。另一类为非功能调制，调制器位于光纤外， 外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波进行调制，这类光纤传感器称为非 功能性或者非本征型光纤传感器，光纤仅仅起到传输光波的作用，所以又被称为传 光型。 本文在详细介绍了国内外的分布式温度传感技术的研究现状的基础上，对光纤 中的拉曼散射进行了详细的理论分析，并对分布式拉曼温度传感器温度解调方法进 行了详细的分析比较，采用是反斯托克斯背向解调的方法，研制了分布式温度传感 器样机，并在此基础上提出了多通道分布式温度传感系统方案，通过实验测试，实 福建师范大学工学硕士学位论文 现了多通道温度的测量和温度分布曲线显示，并取得了良好的温度测量结果。本论 文的主要内容如下： 绪论，首先概述了本课题的研究背景和选题意义；简要的介绍了国内外的光纤 传感器的研究概况；详细介绍了分布温度传感器的优点、用处、研究进展以及一些 具有代表性人物的主要观点及研究成果。最后阐述了本论文的主要工作及其意义。 第一章，首先介绍了光纤的结构和基本特性，激光在光纤传输中的色散、损耗、 散射等特性，以及介绍了自发拉曼散射的经典理论分析和量子理论分析，同时也进 行了受激拉曼散射的特性分析，阐述了自发拉曼散射与受激拉曼散射的区别。其次， 对分布式测温的原理进行了详细的介绍，分别介绍了基于瑞利散射、布里渊散射、 拉曼散射等分布式测温的原理和结构图，对这三种测温系统进行了系统的分析，介 绍了三种光纤分布式拉曼散射温度解调方法，最后总结了三种散射测温的优缺点。 第二章，首先介绍了分布式温度传感器的实验原理，接着介绍了我们设计的单 通道分布式温度传感器系统的实验装置及软件设计。整个系统由一些常用的光通信 器件组成，主要是由垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 、多模光纤以及多模光纤光器 件、滤波器、光开关等，这使得整个实验系统不但具有结构简单和体积小等优点， 而且也大大降低了成本。实验系统的运行是基于l a b v i e w 平台，我们设计的程序可 以实现实验数据的采集与处理实现自动化、能够多次连续采集、功能数据存储方便 和操作界面简单等功能。在单通道分布式温度传感器中，我们采用的是反斯托克斯 光背向拉曼散射解调方法，灵敏度高，整体结构简单。通过l a b v i e w 程序的编写， 可以在计算机上实时显示沿光纤周围的温度分布情况，并在此基础上研制了分布式 传感器样机。最后进行了实验的分析总结。 第三章，主要介绍了多通道分布式温度传感器中的一个重要关键部分，光开关。 首先介绍了光开关的应用现状，以及光开关的分类，主要是介绍了机械式m o e m s 光开关，并介绍了实验中用到的光开关的性能参数。我们通过计算机汇编语言编写 程序，利用计算机串口连接电路板来控制光开关的开关切换时间。同时，在l a b v i e w 平台上进行了光开关电路部分的驱动程序编写和控制光开关的切换时间参数设置 等。我们采用了光开关的开关时间来控制多通道光纤的后向拉曼散射光，通过数据 采集处理，并进行相应的l a b v i e w 程序编写，可以实现多路光纤温度信号的测量， 提高了系统的测量范围，降低了实验成本，具有实用性和商业化。 第四章，对本论文所作的工作进行总结，指出了本论文的创新之处与工作中存 i v 中文文摘 在的不足之处以及今后进一步的实验研究。 v a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s o ri si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h e p r i n c i p l eo fs p o n t a n e o u sr a m a ns c a t t e r i n ga n dt e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o nm e t h o d sa r e a l s od i s c u s s e d b a s i n go no u re x p e r i m e n t ，w ed e v l e l o p e dt h ed i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r e s e n s o rp r o t o t y p em a c h i n e i th a sg o o dp e r f o r m a n c e ：t h em e a s u r e m e n tr a n g ei s2k m ，t h e t e m p e r a t u r ea c c u r a c yi s 1d e g r e e ，s p a t i a lr e s o l u t i o ni s2m ，a n dt h ea l a r mt i m ei s10s t oe x t e n dt h er a n g eo fm e a s u r e m e n t ，w ep r e s e n tt h em u l t i c h a n n e ld i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r es e n s o ru s i n go p t i c a ls w i t c ht oc h a n g et h ea c q u i s i t i o no fm u l t i c h a n n e lf i b e r w eu s et h ec o m p u t e rp r o g r a mt oc o n t r o lt h eo p t i c a ls w i t c h ，a n dg e tt h em u l t ic h a n n a lf i b e r b a c k s c a t t e r i n gs i g n a l sb ya p d ，a f t e rt h ep r o c e s so ft h eh i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o n c a r d ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc u r v ew i l lb ed i s p l a y e di nt h el a b v i e w t h eg o o d r e s u l t sp r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h em u l t i - c h a n n e ld i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r es e n s o l m u l t i c h a n n e ld i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o rh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e ，e a s yo p e r a t i o n ，l a r g er a n g eo fm e a s u r e m e n t ，a n dl o wc o s t av a r i e t yo f p o t e n t i a la p p l i c a t i o nc a nb ee x p e c t e d k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r , t e m p e r a t u r e ，o p t i c a ls w i t c h ，r a m a ns c a t t e r i n g ，a n t i s t o k e s 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 崔寞强学号2 q q 鱼q z 兰兰专业迸堂三程所呈交 的学位论文( 论文题目：多通道分布式温度传感器的研制) 是本人在 导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除论 文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作做出贡献的个人 或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此产生的一切法律 结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名： 径主纸 指导教师签名： 签字日期： 叩年角；日 签字日期： 绪论 1 1 引言 绪论 在上世纪7 0 年代，随着光纤制造工艺与光纤通信技术的发展，光纤传感技术逐 步形成并迅速发展成为- - 1 7 新兴技术。由于光纤性能的提高和半导体激光器的研制 成功，光纤通信系统经过二三十年的发展已实现了全球光通信主干网，光纤传感技 术【l 】也从上世纪9 0 年代开始得到了迅速发展，已逐步走向实用化。业内专家预言， 在未来几十年内，光传感与光通信将平分秋色。作为被测量信号载体的光波和作为 光波传播媒介的光纤，具有损耗低、频带宽、纤径细、重量轻、易变形、高绝缘性 强度等优点，从而引起了世界范围内的高度重视。光纤的发展与应用是相辅相成的， 随着光纤制造工艺的不断完善和发展，光纤质量和性能的不断提高，光纤的应用遍 布了各种生产领域，为信息社会的发展提供了一个有效的媒介。 光纤传感器与传统的传感器相比，主要有以下优剧2 培】 ( 1 ) 耐高压，电绝缘，耐腐蚀。光纤传感器是利用光纤来传输信号，而光纤具有抗 强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，安全可靠，这使它能在恶劣的环境中有效地 传感测量。 ( 2 ) 灵敏度高，频带宽，动态范围大。光纤传感器利用其特性和光的干涉原理等， 其灵敏度优于一般的传感器。目前已经有较为成熟的测量温度、压力等物理量的光 纤传感器。 ( 3 ) 重量轻，结构紧凑，体积小，形状可变，将光纤可制成不同形状、不同尺寸大 小的各种光纤传感器，以实现各种不同领域的传感。 ( 4 ) 应用范围广泛。目前已有的测量温度、压力、流量、电流、电磁场、位移、速 度、浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在不同的场合应用。 ( 5 ) 传输信息容量大，便于复用。方便于与现有光纤通信技术组成遥测网和光纤传 感网络，实现远距离多通道的测量与控制。 ( 6 ) 成本低。光纤传感系统易于与计算机系统相连接，以实现多功能、智能化的测 量。因此很多不同种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。 正是因为这些优点，光纤传感技术一直受到学术界和科学界的广泛重视，从上 福建师范大学工学硕士学位论文 世纪至今，已经研制出上百余种的光纤传感器。目前已经证明，光纤传感器能够实 现对应变、位移、压力、速度、加速度、角速度、温度、电流、电压、浓度、流量、 流速以及磁、声、光、射线等7 0 多种物理量、化学量等检测。光纤传感器的应用基 本上渗透到了社会的各个领域领域，并且取得了令人满意的效果【9 】。 与传统的温度传感器相比，分布式光纤温度传感器测量系统0 】的传感部分是光 纤，以石英为主要材料，是一种优良的低损耗传输线，且光纤自身既是温度传感的 功能元件，又是作为温度传感的传输媒介，这是传统的温度传感器所无法比拟的。 温度是项目工程技术中一个很重要的参量，而且在众多重大工程场合中，温度已成 为一个十分关键的参量，很多特性的变化将直接反映在温度的改变。因此，温度检 测技术一直处于不断的研究和发展中【l ，传统测温多用光学高温计、热敏电阻等温 度传感器。但对于某些特殊的工业环境( 如油气井等) ，以电信号传感为工作基础的 温度传感器则无能为力。光纤温度传感器是测温技术中的新技术，也是工业中应用 最多的传感器之一。目前研究的温度传感器主要有光纤荧光温度传感器、光纤热色 温度传感器、光纤偏振温度传感器、外差干涉温度传感器等1 1 2 】等，这些温度传感器 只能测试一小部分区域内的温度分布，这远远不能满足现在许多大型工程的需要， 在某些特定场合如在火灾预警、隧道、地铁以及电缆的温度监测等，传统的测温电 缆在温度报警点的设置以及定量、定位、可重复使用性等方面存在着严重缺陷，不 能满足工业生产领域的需求，因此我们需要寻找更可靠更实用的测温系统。虽然“点 式的温度传感器阵列可以测量，但是其测量方案复杂不可靠，且成本高，准确性不 高。后来，分布式光纤温度传感器的出现，使得获得单位信息量的成本大大降低， 这相对于以电信号传感为基础的温度传感器和“点 式温度传感器无疑是一个重大 的发展。 1 2 国内外研究现状 分布式光纤温度传感系统是一种用于实时测量空间温度场分布的新型传感系 统。分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿被测区域分布，以光纤作为敏感元件， 测量光在光纤传输过程中所产生的散射光，根据后向拉曼散射光强随温度变化而变 化，利用光时域反射技术( o t d r ) ，对沿光纤传输路径上的温度空间分布进行监控。 分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、在恶劣环境下工作等特点。它集传感和传 绪论 输于一体，可以实现远距离的测量与实时监控。能够连续测量光纤沿被测区域所在 处的温度，测量距离在几千米范围，空间定位精度达到米或更小的数量级，能够进 行实时的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。正是因为它具有 传统机电类探测器所不具有的优点，所以在石油化工系统、矿井和大型电厂等，需 要长距离的铺设及输送管内物，但由于管线经长时间的使用造成腐蚀现象，受到所 处环境的震动和应变应力的影响，或一些施工不慎造成的毁损，都会造成管线破裂 损坏甚至出现危险事故，进行温度在线检测【l3 】更是具有非常重要的应用价值。 分布式光纤传感测量系统在国内虽未大量应用，但在国外已有快速增长和较为 广阔的市场，多家公司采用此项技术进行开发。随着光纤技术的成熟，其适用范围 得到进一步拓展【1 4 - 17 1 。 在国内外均有研究报道使用光纤进行分布式温度测量的光纤传感系统。 1 9 8 1 年英国南安普顿大学最早提出分布式光纤温度传感器系统。 1 9 8 3 年英国的h a r t o g 等人用液体光纤的瑞利散射效应演示了分布式光纤温度 传感器的原理性实验【1 8 】。此系统能在1 s 内对一个l o o m 的光纤取得1 k 的温度精度 和1 m 的空间分辨率的性能。 1 9 8 5 年英国的j p d a k i n 等人首先用氢离子激光器作为光源进行了分布式光纤 测温实验1 1 9 1 ，演示了o t d r 的可行性。同年h a r t o g 和d a k i n 分别独立的用半导体 激光器作为光源研制了分布式光纤温度传感器实验装刮2 0 】。 上世纪8 0 年代中期英国y o r k 公司研制成功d t s - 1 型分布式光纤温度传感 器：1 9 8 7 年首先推出了世界上第一个商品化的产品d t s - 2 型，该产品的测量范围可 达到2 k m ，空间分辨率7 5 m ，温度分辨率1 ，上世纪9 0 年代初又推出中、短距离 的d t s - 8 0 型分布式光纤温度传感系统。 1 9 9 6 年，英国s e n s o rh i g h w a y 公司推出的最新测温产品，其l o k m 系统性能已 达到温度分辨率1 、空间分辨率l m 的指标，而在相同的温度指标下其4 0 k m 系统 的空间分辨率为l o m 。 除英国之外，日本【2 1 1 、美国等也开展了基于光纤自发拉曼散射温度特性和光时 域反射技术的分布式光纤温度传感器系统的研究。 上世纪9 0 年代，日本藤仓公司研制成d f s - 1 0 0 0 分布式光纤温度传感器系统。 1 9 9 8 年，美国航空航天局为航空航天飞机x - 3 3 号研制了分布式光纤温度测试 系统：在此技术基础上，2 0 0 0 年成立了“s e n s o r - t r a n s 公司，开始将该技术转化 福建师范大学工学硕士学位论文 为产品，并应用于油田的井下测温、电站的输送电缆测温、输送管线测温等。 近年来，国外将1 5 5 0 n m 光纤激光器、e d f a 技术【2 2 】应用于分布式光纤拉曼散射 型温度传感系统，取得了较好的结果。1 9 8 9 年，h o r i g u c h i 等人进行布里渊散射实 验，受激布里渊散射【2 3 】首先是被用于光纤通信中对光纤衰减特性的检测，首次实验 取得了在- 3 0 6 0 温度范围内，空间分辨率为l o o m ，温度分辨率为3 。c 的性能指标。 在国内，重庆大学、中国计量学院、浙江大学、北京理工大学、华中科技大学 和北京航空航天大学等单位根据应用的需要，先后开展了分布式光纤温度传感器的 研究。从1 9 9 4 年开始，中国计量学院开始光纤测温系统的研究，样机f g c - w 1 型分 布式测温系统已于当年通过鉴定，其自主研制的f g c - w 2 和f g c w l o 分布式光纤拉曼 温度传感器系统的技术性能，处于国内领先水平，达到国际先进水平。北京航空航 天大学的史晓锋等人研究了井下分布式光纤测量系统以及在油井中的应用【2 4 】。中国 计量学院的金尚忠等于2 0 0 2 年研发的1 0k 如分布式光纤拉曼温度传感系统【2 5 1 ，测温 不确定度为2 ，温度分辨率为0 1 ，空间分辨率为4m ，这在当时已达国内领先 水平。2 0 0 5 年，张在宣等又研制出3 0k m 的f g c - 3 0 拉曼测温系统i 2 6 j ，其空间分辨率 为3m 、温度分辨率为o 1 、测温范围为0 1 0 0 ，已达到国外同类系统的水平。 1 3 分布式温度传感器的应用前景 随着光纤通信技术的迅速发展，光纤传感技术已经成为现代的关键技术之一。 分布式光纤温度传感器是近年来逐步走向实用化的一种新兴传感器。利用分布式光 纤传感器一次即可实时监测整个被测光纤周围的温度分布。与传统的测温传感器相 比较，分布式光纤测温具有许多独到的优越性【2 7 1 。 分布式传感光纤技术的研究重点除了实用化和商业化之外，主要的发展趋势为： ( 1 ) 实现多路传感光纤的同步监测，提高测量的范围。 ( 2 ) 实现单根光纤上多个不同参量的同时测量。 ( 3 ) 提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨率和测量的精度和 稳定性。 ( 4 ) 提高脉冲激光的脉宽和功率，减少测量的响应时间。 ( 5 ) 提高探测器的灵敏度和稳定性等。 绪论 1 4 本论文的主要工作 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术作为光纤分布式温度传感技术的一种 有效测量方式，是目前较为成熟的技术，具有广阔的应用前景。高性能的温度传感 器正是目前拉曼分布式光纤温度传感器的发展方向。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 简单介绍了基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射的分布式温度传感的原理， 对利用拉曼散射实现分布式光纤温度传感测量的理论进行了详细分析。 ( 2 ) 完成基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器系统方案的优化设计及实验测 试工作。实现了基于l a b v i e w 平台的计算机实时监控系统，完成测量数据分析、显 示、存储、报警输出等功能，实现了基于虚拟仪器设计并可长距离温度监测中应用， 而且可扩展到其它分布式温度测量领域。 ( 3 ) 基于反斯托克斯温度解调方法进行了单通道分布式温度传感器的实验，研制了 分布式温度传感器样机。在此基础上提出了多通道分布式光纤温度传感器的方案， 通过计算机汇编语言编程控制光开关切换时间控制多通道的后向散射信息采集，并 编写相应的l a b v i e w 程序进行数据处理和图像显示，从而使系统实现多路光纤的分 布式测温。通过大量实验得到测温结果，证实了方案的可行性，大大降低了传感器 的成本。 本论文的创新之处在于：我们提出了一种利用光开关技术实现多通道分布式温 度传感器的方案，其基本思路是利用计算机程序控制光开关在多通道上的定时切换， 以便定时获取各通道的温度信息。由于在多数应用场合对温度变化的监控通常不需 要特别频繁地获取信息，例如火灾的监控，获取单通道信息的周期一般在分的量级 即可，一旦出现火警，可以将开关锁定在该通道上，以便采取措施。 第一章分布式光纤温度传感的基本理论 第一章分布式光纤温度传感的基本理论 第一节引言 1 1 光纤的结构 光纤是现在光纤通信网络的优良传输介质。它是由高纯度的石英玻璃为主，掺 杂少量杂质锗、磷、硼等的材料制成的细长的圆柱形介质波导。一般由折射率高的 纤芯、折射率低的包层、涂覆层和护套组成【2 8 1 。纤芯和包层为光纤的主体，光波的 能量主要集中在纤芯传输，包层为光波的传输提供反射面和光隔离。涂敷层和护套 对光纤主要起保护作用，同时具有隔离杂光，增强光纤的柔韧性、机械强度、耐老 化特性和防潮等功能。 1 2 光纤按照光纤传输模式的数目分类 光纤是一种介质光波导，因此光波在光纤中传播时存在模式问题。 单模光纤理论上只传输一种传导模式，但这种模式可以按两种互相正交的偏振 状态出现。由于单模光纤只传输基模，避免了模式色散，使得这种光纤的传输频带 宽，传输容量大，适用于长距离的光纤传输，被广泛用于光纤通信领域。 多模光纤能传输多种传导模式，甚至几百到几千个模式。与单模光纤相比，多 模光纤具有较大的纤芯直径，可以很容易地将光源的光功率注入光纤中。 光纤能传输的模式数目n 为： ： 墨匕： ( 1 1 ) 2 ( g + 2 ) ( 1 - 1 ) 式中，g 是光纤断面折射率分布指数，决定光纤折射率沿径向分布的规律， v 是归一化频率 ，! v = k a n a = k a 。( 2 一心2 ) 2 ( 1 2 ) ( 1 - 2 ) 式中，k 是平面波在自由空间中的波数，定义为k = 2 万旯，a 是纤芯半径，n 。 是纤芯折射率的最大值，n 。是包层折射率，n a 是多模光纤的数值孔径，是与最大入 射角相联系的，表征了光纤接受和传输光的能力。n a 越大，光纤接受光的能力越强， 福建师范大学工学硕士学位论文 即从光源到光纤的耦合效率越高。纤芯对传输的光能量的约束能力越强，光纤抗弯 曲性能也越好。 1 3 光纤的损耗 光在光纤中传输时，由于光纤的本身材料对光的吸收和散射，光纤波导结构的 缺陷以及光纤间的不完善耦合等原因，导致光功率随着传输的距离呈指数规律衰减， 称为光纤传输损耗，简称损耗【2 9 】。光纤损耗的大小可用光波在光纤中传输l k m 产生 的功率衰减的分贝数，即损耗系数a 来度量。 口= 警g ( 等) ( 扭，砌， 。埘 ( 卜3 ) 式中p 。为入射光的光功率，p 。为经过光纤传输后的输出光光功率，l 为传输光 纤的长度。 引起光纤损耗的原因有多种，其损耗机理也比较复杂。光纤自身的损耗有三种： 吸收损耗、散射损耗、辐射损耗。 1 3 1 吸收损耗 吸收损耗有两种：本征吸收损耗与非本征吸收损耗，本征吸收是物质所固有的， 主要是由紫外区和红外区波段电子跃迁与振动跃迁引起的吸收。 非本征吸收损耗主要源于杂质的存在，为获得低于l d b 的损耗，这些杂质的浓 度应该在1 0 。9 以下。 1 3 2 散射损耗 散射损耗主要是由光纤的非结晶材料颗粒状结构和玻璃中存在的不均匀结构引 起的。散射损耗 3 0 - 3 1 】又可分为两种：线性散射损耗和非线性散射损耗。 ( 1 ) 线性散射损耗 这种损耗主要是由瑞利散射引起的。它是指在散射过程中没有发生频率的改变， 即入射波与散射波的频率相同，不发生能量的交换，属于弹性碰撞。 ( 2 ) 非线性散射损耗 在强大的电场作用下，物质会呈现非线性，即会使输入的频率改变或产生新的 频率。在非线性散射中，散射光频率下移，光波把部分能量传递给介质。这个过程 主要包括受激拉曼散射和受激布里渊散射，这两种散射过程中都使得入射光能量降 低。 第一章分布式光纤温度传感的基本理论 在光纤通信系统中为保证光纤的传输质量，要尽量减小散射损耗；而在光纤测 量系统应用中，主要利用光纤的后向散射特性。例如光时域反射技术，就是利用瑞 利散射原理，检验光纤损耗特性和光纤故障、断点等，这也是分布式光纤测温系统 的基础。在分布式温度测量系统中，利用自发拉曼后向散射特性；在应力等测量中， 利用布里渊背向散射特性等。 1 3 3 辐射损耗 光纤的损耗除了由光纤制造工艺和光纤材料引起的光纤传输损耗以外，还来源 于光纤使用过程中的受到某种外力作用或者弯曲，以及构成光纤系统时因光纤耦合， 导致了光波能量的泄漏而产生的损耗。光纤的弯曲损耗有两类：宏弯损耗和微弯损 耗。光纤弯曲时，在光纤中传输的导模由于辐射而损耗光功率。 1 4 光纤的色散 光纤的色散【3 0 引1 是指入射光脉冲在光纤中传输时由于不同频率成分或不同模 式，不同的模式对应着不同的模折射率，不同模式间的有效折射率差，将导致了群 速度的不同，而引起的脉冲展宽现象。光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光 纤的带宽或传输容量。 多模光纤的色散起因主要是下列三种：模式色散、材料色散和波导色散。 1 4 1 模式色散 在多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散。由于各模式以不同时 刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。在多模光纤中，模式色散对信号传播的影响常常 是最主要的，材料色散与波导色散的影响相对较小。 1 4 2 材料色散 材料色散是由光纤材料的折射率随耦合进光纤的不同波长的光而变化，与束缚 电子的振荡吸收电磁辐射的特性共振频率有关。对于谱线较宽的信号，经过传输后， 不同波长的光的时间延迟不同，从而会发生脉冲展宽，这称为材料色散。 1 4 3 波导色散 波导色散是由光纤结构引起的色散现象，由于入射角不同导致不同频率的光波 在光纤中传输的实际路程不同而引起的时延差导致了波导色散。 福建师范大学工学硕士学位论文 第二节拉曼散射 2 1 拉曼散射概述 在1 9 2 3 年，史梅耳( a s m e k a l ) 从理论上预言当频率一定的单色光入射到介质 以后除了产生光的反射和折射外，还会产生散射现象2 9 1 。经过了几年的努力，印度 物理学家拉曼于1 9 2 8 年研究液体苯的光散射时发现，在散射光中除了有与入射光频 率相同的谱线外，还有与入射光频率发生位移( 频率增加或减少) 且强度极弱的谱线。 前者是己知的瑞利散射光，称为瑞利效应。而后者是新发现的，以发现者拉曼的名 字命名的拉曼散射光，称为拉曼效应。 在拉曼散射光谱【3 2 1 中，频移量与入射光波长无关，只与光纤中的二氧化硅结构 和运动状态有关，低于入射光波的频率分量称斯托克斯散射光，高于入射光波的频 率分量称反斯托克斯散射光。 2 2 自发拉曼散射 自发拉曼散射现象可定性的解释为：光纤的主要成分是石英即二氧化硅，在分 子内部按一定的规律处于运动状态，这种分子内部粒子间的这种相对运动，导致分 子间感生电偶极距随时间的周期性调制，从而对入射到光纤中传输的光产生散射作 用；对于单色光入射，将使散射光的频率相对于入射光发生一定的频移，频率移动 量的大小等于调制频率【3 3 1 。 当入射光通过介质时，光子与分子运动相互作用可能会发生弹性和非弹性碰撞。 在弹性碰撞中，光子与分子之间不发生能量交换，光子仅仅改变其运动方向，而不 改变频率，这种过程是瑞利散射。在非弹性碰撞中，光子与分子之间发生能量交换， 光子不但改变其运动方向，同时光子的一部分能量传递给分子，或者光子从分子中 得到能量。在这两种过程中，光子的频率都发生改变。光子得到能量的过程就是反 斯托克斯散射，失去能量的过程就是斯托克斯散射。 2 3 拉曼散射现象的经典理论描述 从经典理论看，拉曼散射可看作入射光的电磁波使光纤分子或原子内的电子相 对原子核发生微小的位移或振动，产生感应电极化。这种电极化使入射光频率发生 了移动，从而产生斯托克斯和反斯托克斯散射。 设拉曼介质由每单位体积n 个相互独立的谐振子组成，对应于各个分子，其运 第一章分布式光纤温度传感的基本理论 动方程为 ， 挈+ 厂掣+ 喇2 列) = 掣 4 ) ( 卜4 ) 式中f ( z ，f ) 是外场作用力，x ( z ，f ) 是分子相对于势能最低点的偏离，c o om7 分别是分子的振动频率、质量和阻尼系数。 介质分子极化率口是x 的函数，可以用级数来表示 吣胁。+ ( 孙+ 瓢窘卜+ 去( 警卜 ”5 ， 取n 阶近似，则介质的介电常数为 。 1 + n a 】刚+ ”喜去( 内) ( 1 _ 6 ) 频率为q 电场e ( z ，f ) 的静电储能密度为 f=i1,le(z,t)12(1-7) 因而作用在每个分子上的力为 脚砖n 笪g x = 烈1 i 一1 ，o k a 。) o x k - i 吼，f ) ( 1 8 ) 上述分析表明，频率为的分子振动会引起介电常数占在彩。处出现调制，这导致对 辐射场的调制，从而产生频率偏移为整数倍的旁频。 可以证明，在频率为c o t 的外场作用下，非线性介质的简谐振子，会出现新的频 率为c o t k c a 。的极化强度分量，振荡的极化强度将发生辐射，从而产生频率为 彩，k c o o ，即为各阶斯托克斯或反斯托克斯散射。而且从分析可以知道斯托克斯散 射强度和反斯托克斯散射强度大体相当，但试验表明自发拉曼散射的反斯托克斯散 射比斯托克斯要弱几个数量级，由经典理论不能解释这一现象。 2 4 拉曼散射的量子力学描述 虽然经典理论可以定性描述拉曼散射过程，但对斯托克斯光、反斯托克斯光的 定量描述与实验事实不符，并且经典理论也不能解释自发拉曼散射的斯托克斯光、 福建师范大学工学硕士学位论文 反斯托克斯光与其所处环境温度的定量关系。因此光与分子的相互作用本质上是量 子力学，要求散射光子满足玻色分布，分子的能量是量子化的振动能级和转动能级。 所有这些，可以通过量子理论进行全面的定量描述。 光与分子相互作用所产生的散射现象还可以用光子与分子的碰撞来解释。按照 量子理论，频率为的单色光可以视为具有能量为办的光子，当光子作用于分子 时，可能发生弹性和非弹性两种碰撞。在弹性碰撞过程中，光子与分子之间不发生 能量交换，光子仅仅改变其运动方向，而不改变频率。这种程就是瑞利散射。在非 弹性碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不但改变其运动方向，同时 光子的一部分能量传递给分子，或者光子从分子中得到能量。在这两种过程中，光 子的频率都发生变化。光子得到能量的过程就是频率高的反斯托克斯散射：光子失去 能量的过程就是频率低的斯托克斯散射。能量的转换意味着能级的跃迁。瑞利、拉 曼散射过程中的量子理论能级图，如图1 - 1 所示 屹= 叱 丸= k 叱2 u 一 也= t - q 瑞利散射 斯托克斯散射反斯托克斯散射 拉曼散射 图1 1 瑞利散射_ ； l l 拉曼散射中的量子跃迁 f i gl - 1q u a n t u mt r a n s i t i o ni nr a y l e i e hs a c t t e r i n ga n dr a m a ns c a t t e r i n g 图卜l 中和e 。分别表示分子振动的基态和激发态。和k 三分别表示激发光 入射光子的频率和波数，光子的能量为h v 工，_ l l l k 。i = 2 万兄。v s 和尼，分别表示散射 光子的频率和波数，且恢| _ 2 , r x ：和g 分别表示散射过程中伴随产生或消失的激 发的频率和波数，则有： 第一章分布式光纤温度传感的基本理论 口f ：_ 2 y ”( s i n 只+ s i n 以) 以， ( 卜9 ) 式中厅是散射光所在介质的折射率，p 、幺分别是入射角和散射角。 ( 1 - 9 ) 当分子从基态e o ( 或激发态e 。) 被入射光激发到能级+ 办y l ( 或e 。+ h v l ) 的 虚态( v i r t u a ls t a t e ) ，又回到基态岛( 或激发态e 。) ，散射出频率为y ，的光子， 这一过程称为瑞利( r e y l e i g h ) 散射。当基态的分子被入射光激发到虚态，然后回到 激发态。，产生能量为矗l ，。的拉曼散射，散射光子的频率为y ，= 一y 。，光子的部 分能量传递给分子，这种散射称为斯托克斯( s t o k e s ) 散射【3 4 弼】：另一种是处于激发态 的分子被入射光激发到虚态，然后回到基态厶，产生能量为厅y ，的拉曼散射，散射 光子的频率为y ，= 屹+ y 口，光子从分子的振动得到部分能量，这种散射称为反斯托 克斯( a n t i s t o k e s ) 散射 3 4 - 3 5 】。 从图1 - 1 可以看出，斯托克斯线和反斯托克斯线与瑞利线之间的能量差分别 为h v s - by l = 一厅和h v ，- h v ，= h v 。其数值相等，符号相反，说明拉曼光谱线对 称地分布在瑞利线的两侧。 2 5 受激拉曼散射 在自发拉曼散射中，各个分子拉曼模的激发和相应的散射光之间是相位无关的， 因此是一种非相干散射。受激拉曼散射【3 6 】( s r s ) 是在相干光激发下产生的，各个拉 曼模和相应的散射光之间是相位相干的，所以散射强度比自发拉曼散射强很多。它 是光纤非线性光学中一个很重要的非线性过程。 第三节分布式测温原理 3 1 反射测试原理 当激光不断的射入到光纤中时，光纤本身会不断产生后向散射光，然后通过测 量分析这些反向散射光的功率，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。这种测量技 术在通信上叫做光时域反射技术( o t d r ) 。 福建师范大学工学硕士学位论文 当窄带光脉冲注入到光纤中时，利用光雷达原理，o t d r 系统通过测量后向散射 光强随时间变化的关系来检测光纤的连续性并测出其衰减。当激光脉冲在光纤中传 输时由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射【3 8 3 9 1 ，用o t d r 技术 可以确定光纤处的损耗、光纤故障点、断点的位置因此也称为光雷达 4 0 - 4 1 l 。所以， 它在光纤通信系统中是非常有用的。图卜2 为o t d r 测试原理图，图i - 3 是o t d r 典 型的测试波形。 图i 2o t d r 钡a 试框图 f i g1 - 2b l o c kd i a g r a mo fo t d r f r ，o n tc o n ：n e c t o r l l c o n n e c f o r l p a r i f i b e r i：n d l i 、 h l b e n d f u s i o l。l 、一l | c m c k 一， n o i s e 。 、 h7，、州 s p l i c e ，。 枞川 b a c k s c a t te r - i 1 05 01 0 01 5 02 0 0z 5 03 0 0i m3 5 0 图i - 3o t d r 的典型测试波形 f i gl - 3o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e rc u r v e o t d r 使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿 着光纤产生无规律的散射而形成，这些后向散射信号表明了光纤导致的衰减( 损耗 距离) 程度，形成的轨迹是一条向下的曲线。给定光纤参数和波长，瑞利散射的功 率与信号的脉冲宽度成比例，脉冲宽度越长，后向散射功率就越强。瑞利散射的功 率还与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。在高波长区( 超过1 5 0 0 r i m ) ， 瑞利散射会持续减小，但红外吸收的现象会出现，增加并导致了全部衰减值的增大。 1 5 5 0 h m 波长的o t d r 具有最低的衰减性能，可以进行长距离的测试，高衰减的1 3 1 0 n m 阳舶 m m 撕 踟 妣 第一章分布式光纤温度传感的基本理论 或1 6 2 5 n m 波长，o t d r 的测试距离受到限制。 菲涅尔反射是离散的反射，它是由整个光纤中的个别点而引起的，这些点是由 造成反向散射系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很 强的背向散射光被反射回来。o t d r 利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端 或断点，通过发射信号到返回信号所用的时间以及光在玻璃介质中的速度，可以计 算出距离。由下式可以得到， 2 l = 二t ( 1 1 1 1 ( 1 - 1 1 ) 式中，l 为光纤长度，n 为折射率，c 为光在真空中的速度 通过( 1 1 1 ) 式，我们就可以将不同时刻接收到的光信号定位到光纤的不同位置， 从而就可以测量到沿光纤分布的散射光信号【4 2 】 = 瓦1 0l 。g 唔) ( 1 1 2 ) ( 1 1 2 ) 式是经常用来计算光纤衰减的公式，其中q ：为光纤衰减系数，单位d b k m ， l 为从1 到2 两者之间的距离，p 1 ，p 2 分别为1 ，2 处的功率。 在o t d r 技术中返回信号功率只( z ) 与光纤上散射点z 的位置有以下关系： 1 t 只( z ) = 专r 口，s e x p ( f 2 a d x ) ( 1 - 1 3 ) 式中：功为输入光脉冲峰值功率，矽为光脉冲宽度，y g 为光在光纤中的群速度，口， 为所探测物质的散射系数，口为整个光纤的损耗系数，s 为光纤的后向散射因子 s = 0 2 5 ( n a n 。) 2 对于单模梯度光纤 ( 1 1 4 ) s = ( 3 8 ) ( n a n 1 ) 2 对于多模阶跃光纤( 1 - 1 5 ) 下面将按照历史上发展的先后顺序介绍几种有影响力的基于散射机理的温度分 布传感系统，并总结各自的优缺点。 3 2 瑞利散射光纤温度传感原理 在1 8 7 1 年，瑞利( r a y l e i g h ) t i 开究了入射光在线度上小于光波长的微粒上散射光 和入射光波长相同的现象。光纤中最强的散射过程就是瑞利散射1 2 9 。3 l 】，但它也大约 只有入射光的4 5 d b 。瑞利散射光波长与入射光相同，强度与散射频率的四次方成正 比，也就是与波长的四次方成反比。 瑞利散射测温方法【4 3 】一般是采用脉冲激光光源，在激光器与光纤之间设置一个 分束器，当后向散射光返回到光脉冲注入端时，则经分束器反射到探测光路中，再 经过由一个a p d 和互阻抗放大器组成的光接收机接收，最后通过信号处理到计算机 福建师范大学工学硕士学位论文 中显示出来。其装置简图如图1 4 所示。 图1 4 瑞利散射测温框图 f i g1 - 4t h eb l o c kd i a g r a mo fr a y l e i g hs c a t t e r i n g 光纤中返回光脉冲注入端的后向瑞利散射光光强公式可表示为 尸( ，) = ( c g 2 ) e o s c t ( t ) e x p - a ( t ) c g 归 ( 1 1 6 ) 在这里，假定光纤性质均，且忽略吸收。式中：f - 2 l c 。为光脉冲前沿在注入端 与光纤上与注入端距离为l 点之间的往返时间，c 。为光纤中的光速，民为注入光 脉冲的能量，s 为后向散射因子，口( f ) 为瑞利